切削原理 CH0304 磨擦

磨擦的能量在整個切削過程中的大小僅次於剪切能，而且因為發生在甚至比剪切面積很小的範圍中，加上會溫度會跌家在受剪切作用而升高的材料溫度上，加上直接接觸到刀具，對實務上的切削性能影響非常的大。

傳統上，有關磨擦的作用有以下特性：
1. 磨擦係數與施加的外力無關
2. 磨擦係數跟接觸面積大小無關
3. 磨擦係數跟移動速度無關
4. 磨擦係數與表面狀態無關
5. 磨擦係數跟滑動面的溫度無關

以上的假設在一般情況下與觀察到相同，但是在一些比較極端或特別的情況下就會有很大的差異，例如：
1, 通常靜磨擦係數會大於動磨擦係數
2. 磨擦係數在高速度運動下會造成溫度升高，使滑動面材料軟化，而會降低磨擦係數

觀察接觸滑動面磨擦的微觀現象，可以發現不管在怎麼平的面，從微觀角度來看還是會有些微的凹凸不平，因此在接觸滑動時，主要就是這些凹凸不平互相箝制產生滑動的阻力(磨擦力)，如下圖示：

圖(a)是動磨擦的狀況，假設下方相對是固定的，上方接觸面的突起在上方的突起上滑過，滑過是必需破壞掉突起部分才能順利地移動，突起部分破壞掉後會脫落，填補到凹下去的部分，所以動磨擦係數基本上是使這些小尖點斷裂所需要的力量。
圖(b)是靜磨擦的狀況，也就是上下彼此突起、凹下部分互相卡住的尺寸會更大，所以要滑動需要更克服更大的力量。
所以磨擦面幾乎都會伴隨產生刮痕。

兩個接觸面的實際接觸面積假設為Ar，實際接觸面積占總面積比例可能不到 1 %；使突起部分受壓變形的正向應力為 Fn / Ar，尖端部分產生變形所需要的應力必須達到材料的降伏應力，因此 Ar = Fn / σ_y；如果要滑動，尖端會產生剪應變破壞，所以 Ar = Ff / τ_f，將兩個式子相除，可以得到 Ff / Fn = τ_f / σ_y = μ，所以可以得到磨擦係數只跟兩個接觸面的材質(τ_f，σ_y)  有關，跟面積等其他因素無關，但是因為材料性質會隨溫度改變，因此在高速運動升溫時，磨擦係數就會發生改變；另外如果在介面之間填充其他軟質的材料，滑動變成發生在軟質材料的流動、變形，因此磨擦係數就會變小。

切削過程中的磨擦可以分為以下四種機制：
1.  黏著(Adhesion)：在接觸面的尖點上發生材料破壞、升溫，使得上下表面在尖點發生微焊接黏在一起，要繼續移動就必須將其拉開，這是磨擦力的最主要來源。
2.  犁切(Plowing)或擦傷(Burnishing)：接觸面的相互運動並沒有將尖點材料破壞，只是將其推起然後越過。
3.  磨削(Abrasion)：斷裂的尖點材料在接觸面衍生出類似磨料的效果，會產生磨削的現象。
4.  橫向的位移

犁切現象

當施加正向重負載時，尖端的變形會變大，進而增加實際的接觸面積，如下圖示：

當正向應力越來越大，實際接觸面積會逐漸增加，但是會有一定的極限，尤其是接觸面積接近總面積，如下圖示：

第一階段處於實際接觸面積遠小於總面積，此時磨擦係數如圖示固定斜率是一個常數，這是一般磨擦的狀況，但是隨著正向應力增加實際接觸面積增加進入第二階段時，關係就變得比較複雜，磨擦係數是變動的；到了第三階段，正向應力非常大，幾乎所有的尖點全部都被壓扁，接觸面積接近總面積，這個階段就是切削變形時切屑與刀具面接觸摩擦的狀況。